Seltene „Windrad“-Sterne sind ein wunderschönes astronomisches Rätsel

May 23, 2024

Die zum Scheitern verurteilte Klasse von Sternen namens Wolf-Rayets erzeugt mysteriöse Windradformen

Astronomen neigen dazu, Superlative auszuschöpfen, wenn sie über die äußerst heißen und leuchtenden Sterne sprechen, die als Wolf-Rayets bekannt sind und zu den größten, heißesten und seltensten Sternen im Universum gehören. Es wird angenommen, dass Wolf-Rayets das letzte, flüchtige Stadium im Leben der massereichsten Sterne sind – Sterne, die ihr Leben mit der 20- bis mehr als 200-fachen Sonnenmasse beginnen. Diese Schwergewichte sind blau und unglaublich leuchtend und verbrauchen schnell und mit lebendiger, sterben-junger Hingabe enorme Wasserstoffreserven. Während sie verglühen, schleudern sie riesige Mengen an Masse in dichte, schnelle Winde, die mit erstaunlicher Geschwindigkeit strömen. Wenn ihnen dieser Treibstoff ausgeht, kollabieren diese Sterne unter ihrer eigenen Schwerkraft in den katastrophalen Ereignissen, die wir als Supernovae beobachten.

Ihre extreme Natur kennzeichnet sie als himmlische Ausgestoßene, die sich an den Grenzen des grundlegenden Horoskops der Astronomie, dem Hertzsprung-Russell-Diagramm, sammeln, das Sterne anhand ihrer Helligkeit und Temperatur abbildet. Wolf-Rayets erheben sich über die „Hauptreihe“ des Diagramms hinaus, in der sich gewöhnliche Sterne versammeln. Es sind aufgeblähte Monster mit Oberflächentemperaturen von über 200.000 Kelvin – 30-mal heißer als die Sonne – und Strahlungsfeldern, die die Sonne um mehr als eine Million übertreffen können.

Das charakteristische Merkmal eines Wolf-Rayet-Sterns – ein geringer Wasserstoffgehalt – erweist sich als Vorbote des Untergangs. Nachdem ein Stern seinen Wasserstoff verbraucht hat, beginnt er, andere Brennstoffe wie Helium zu verbrennen, was dem Stern jedoch nur einen bescheidenen Aufschub der Ausführung einbringt. Das Leben von Wolf-Rayet wird in Millionen von Jahren gemessen, manchmal auch viel weniger. Im Vergleich zur 10 Milliarden Jahre langen Lebensspanne unserer Sonne ist das ein Wimpernschlag. Und weil massereiche Sterne bereits Ausnahmen unter den Sterntypen darstellen, sind Wolf-Rayets doppelt selten: Sie sind buchstäblich ein Stern unter einer Milliarde. Obwohl sie aufgrund ihrer Helligkeit für Teleskope leicht zu finden sind, kennen wir in unserer gesamten Galaxie nur wenige Hundert von ihnen.

Trotz ihrer Seltenheit sind diese rätselhaften Sterne seit jeher mit den drängendsten astronomischen Fragen der Gegenwart verwickelt. Da immer mehr Beobachtungen von ihnen von leistungsstarken Einrichtungen wie dem James Webb-Weltraumteleskop eintreffen, wiederholt sich dieser Trend. Kürzlich hat Wolf-Rayets uns neue Fragen zur Physik gestellt, die sie antreibt und die dabei helfen könnten, große Rätsel über die Natur und das Schicksal von Sternen zu lösen.

Als die französischen Astronomen Charles Wolf und Georges Rayet 1876 zum ersten Mal über drei Sterne im Sternbild Schwan rätselten, steckte die Wissenschaft der Spektroskopie – die Untersuchung astronomischer Objekte durch Zerlegung ihres Lichts in die einzelnen Farben – noch in den Kinderschuhen. Dennoch hatten Wolf und Rayet genug normale Sterne gesehen, um zu wissen, dass etwas zutiefst Bizarres vor sich ging. Gewöhnliche Sterne wie die Sonne haben Spektren, die aus Licht aus allen sichtbaren Farben bestehen und mit einer Streuung schmaler, feiner dunkler Linien geprägt sind, die Wellenlängen darstellen, die von den chemischen Elementen in den Sternen absorbiert werden. Die neuen Sterne in Cygnus schienen etwas ganz anderes zu sein: Sie zeigten lebhafte Bänder heller Farbe, „die eher an Nebel erinnern“, schrieben die Astronomen, was sie zu der Vermutung veranlasste, dass diese Sterne „ihre Brillanz hauptsächlich glühenden Dämpfen verdanken“ könnten.

In den folgenden Jahrzehnten begannen Astronomen, die Spektren der meisten Sterntypen besser zu verstehen, doch Wolf-Rayets blieb immer noch eine unverständliche Kuriosität. Gelegentlich verführten sie Wissenschaftler wie Ralph Copeland. Im Jahr 1884 unternahm er eine Expedition an die Ufer des hochgelegenen Titicacasees in Peru, wobei er seine astronomische Ausrüstung mit einem Maultierzug einpackte. Dort stolperte er über den Stern γ Argus („gamma Argus“, heute bekannt als γ Velorum), dessen „intensive helle Linie im Blau und die wunderschöne Gruppe von drei hellen Linien im Gelb und Orange sein Spektrum unvergleichlich zum brillantesten und strahlendsten machen.“ schlagend im ganzen Himmel.“ Copeland war begeistert: „Die außergewöhnliche Schönheit dieses Spektrums … veranlasste mich, einen beträchtlichen Teil meiner Zeit mehr oder weniger systematischen Durchsuchungen der Umgebung der Milchstraße zu widmen.“ Schließlich erzielte er weitere fünf ähnliche Sterne. Obwohl keines so spektakulär war wie γ Velorum, verdoppelte diese Leistung den Katalog bekannter Wolf-Rayets mehr als.

Ein halbes Jahrhundert lang blieb das Wolf-Rayet-Phänomen „eine noch ungeöffnete Tür und mit einem so seltsamen Schlüssel, dass wir nicht einmal sicher sind, wie wir ihn ins Schloss stecken sollen“, wie der amerikanische Astronom Donald H. Menzel 1929 schrieb In den 1930er Jahren führten verschiedene Studien zu einem allmählichen Verständnis der Physik hinter den Sternen. Wolfs und Rayets Bemerkung über „glühende Dämpfe“ war von Anfang an auf dem richtigen Weg, aber die Astronomen hatten gezögert, die physikalischen Bedingungen auf das erforderliche unglaubliche Niveau zu bringen.

Die sengenden Temperaturen in Wolf-Rayets erzeugen ein Strahlungsfeld an der Oberfläche der Sterne, das so stark ist, dass das Licht selbst zu einer Kraft wird, mit der man rechnen muss. Für die Leuchtkraft jedes Himmelsobjekts gibt es eine grundlegende Obergrenze, ab der „die beobachtete emittierte Strahlung … den Stern sprengen würde“, schrieb Arthur Eddington in einem einflussreichen Aufsatz aus dem Jahr 1926. Es stellt sich heraus, dass Wolf-Rayets so leuchtend sind, dass sie mit dieser „Eddington-Grenze“ kokettieren und dazu führen, dass ihre Oberflächenschichten durch das glühende Leuchten der Sterne ständig verdrängt werden. Der Schlüssel, der Menzels Tür öffnete, war dieser starke Sternwind, der mit mehreren tausend Kilometern pro Sekunde weht – etwa 1 Prozent der Lichtgeschwindigkeit. Der Begriff „Sonnenhurrikan“ wird manchmal verwendet, aber dieser Vergleich mit dem Sonnenwind unserer Sonne wird ihm nicht annähernd gerecht. Stellen Sie sich den leichtesten wahrnehmbaren Lufthauch an einem ruhigen Tag im Vergleich zur Kraft einer mächtigen Wasserwerfer vor. Die Divergenz zwischen dem Sonnenwind unserer Sonne und dem eines Wolf-Rayet übersteigt dieses Verhältnis um mehr als das 10.000-fache.

Selbst eine kleine Handvoll dieser Überflieger kann tiefgreifende Auswirkungen auf das Ökosystem einer ganzen Galaxie haben. Strömende Winde tragen Energie, Impuls und neu geformte Elemente in die Hohlräume zwischen den Sternen, blasen Blasen auf, komprimieren Wolken und erhitzen Gas. Der wichtigste Beitrag von Wolf-Rayet-Sternen zum galaktischen Gleichgewicht ist der am wenigsten erwartete: Sternenstaub. Staub – winzige Flocken aus Sternenstoff – spielt im großen Kreislauf der Materie in der Galaxie alle möglichen entscheidenden Rollen, vielleicht vor allem, indem er das Gas durchgehend abschirmt und kühlt und es ihm ermöglicht, zu neuen Generationen von Sternen zu kondensieren. Dennoch haben Astronomen Mühe, den gesamten Staub zu erklären, den sie sehen. In der Astronomie ist Staub ein bisschen wie Schnee: bei ruhigen Bedingungen und in kühlen Klimazonen reichlich vorhanden. Der letzte Ort, an dem Staub entsteht, ist ein Ort, der von der heißen, harten ultravioletten Strahlung umgeben ist, die einen Wolf-Rayet umgibt.

Das Rätsel, wie man in der Hölle Schneeflocken bilden kann, wurde erst mit der Entdeckung des wundersamen Systems namens WR 140 gelöst. In den 1980er Jahren fand ein Team unter der Leitung von Peredur Williams vom Royal Observatory Edinburgh heraus, dass der von diesem Stern produzierte Staub in Impulsen im Abstand von acht Jahren auftrat auseinander. Die Entdeckung brachte die Entstehung von Staub sofort mit dem achtjährigen Zeitraum in Zusammenhang, in dem ein binärer Begleiter gemeinsam mit dem Wolf-Rayet umkreiste. Dieser Begleiter war ein weiterer leuchtend blauer Stern auf einer elliptischen Umlaufbahn. Astronomen erkannten, dass sich in diesem Doppelsternsystem Staub bildet, wenn sich das Paar am nächsten kommt. Als der Wind des Wolf-Rayet mit dem Wind des riesigen Begleiters kollidiert und ihn verwickelt, kämpfen die beiden bis zum Stillstand gegeneinander. Hier sind die kühlen, ruhigen Bedingungen genau richtig, damit Staub aus dem Gas kondensieren kann. Dieser kollidierende Windstaubmechanismus erfordert, dass beide Sterne starke Winde ausstoßen – eine Bedingung, die erfüllt werden kann, da massereiche Sterne oft zusammen mit ähnlich massereichen Begleitern entstehen.

Im Gegensatz zu WR 140 stoßen viele andere Wolf-Rayets kontinuierlich Staub aus, offenbar ohne Rücksicht auf den Zeitpunkt ihrer Umlaufbahn. Herauszufinden, warum und ob die kontinuierlichen Stauberzeuger anders funktionieren als die Uhrwerksvariante, die bei jeder Umlaufbahn Staub erzeugt, wurde zu einer Schlüsselfrage für meine eigene Forschung.

Mitte der 1990er Jahre arbeitete ich in der Gruppe des Nobelpreisträgers Charles H. Townes in Kalifornien mit dem damaligen Studenten John D. Monnier. Die riesigen Keck-Teleskope auf Hawaii hatten gerade ihre Arbeit aufgenommen. Um die Entstehung von Wolf-Rayet-Staub zu verstehen, benötigten wir jedoch scharfe Bilder mit einem Detaillierungsgrad, der selbst die Fähigkeit von Kecks riesigen 10-Meter-Spiegeln überstieg. Heute könnten wir einfach ein adaptives optisches System einschalten – mittlerweile Standardausrüstung, das dem Flimmern der Erdatmosphäre entgegenwirkt. Aber in den 1990er Jahren lag die Technologie, die in der Lage war, unsere Wolf-Rayet-Sterne abzubilden, noch Dutzende Jahre und viele Millionen Dollar in der Zukunft.

Da Notwendigkeit erfinderisch macht, blieb uns nichts anderes übrig, als quer zu denken. Wir befestigten eine große Metallmaske, etwa so groß wie ein Mülleimerdeckel, mit sorgfältig angeordneten perforierten Löchern, an einem der Keck-Teleskope. Indem wir einen Großteil des Sternenlichts blockierten, verwandelten wir den Primärspiegel in eine Reihe kleiner Kollektoren, sodass Keck ähnlich wie moderne Radioteleskope funktionieren kann, die viele kleinere Antennen miteinander verbinden. Die Steigerung der Bildtreue übertraf unsere kühnsten Träume. Für die gesamte Aufführung musste man nachts auf das Teleskop klettern, um die Masken auszutauschen, während man sich 15 Meter über dem Boden des Observatoriums befand. Ich bin unendlich überrascht, dass sie uns das jemals durchgehen ließen.

Das Erstellen von Bildern mit dieser Technik erforderte eine erhebliche Computerverarbeitung und eine Menge benutzerdefinierten Code. Als wir zum ersten Mal unser wichtigstes Wolf-Rayet-Ziel, einen Stern mit der Bezeichnung WR 104, auf einem Computermonitor sahen, war es eine schimmernde Spirale, die einer seltsam verzerrten Weihnachtskugel ähnelte. Ich sah John an und stöhnte: „Ich habe noch nie von einem Stern gehört, der wie eine Spirale geformt ist. Wie haben wir einen Fehler im Code bekommen, der zu einem solchen Fehler geführt hat?“ Wir gingen zurück und verbesserten den Code, aber die Spirale blieb bestehen. Erst einige Monate später, als Daten eines zweiten Besuchs am Keck-Teleskop eine weitere Spirale erzeugten, akzeptierten wir die Realität. Das neue Bild hatte fast die gleiche Spiralform wie zuvor, war jedoch um etwa 90 Grad gedreht. Die Spirale war real und außerdem hatten wir ein bewegliches Ziel in unseren Händen.

Im Nachhinein verstehe ich jetzt, dass eine Spirale genau das ist, wonach wir die ganze Zeit hätten suchen sollen. Was uns verwirrte, war, dass Staub dichtes, kühles Gas braucht, um sich zu bilden. Ein Wolf-Rayet kann an einem bestimmten Ort nur eine dieser Bedingungen erfüllen: In der Nähe des Sterns ist das Gas dicht, aber heiß, wohingegen es in weiter Entfernung kühl, aber zu dünn ist. Hier kommt das Doppelsternpaar ins Spiel. Wenn die Winde der beiden Sterne kollidieren, komprimiert sich das Gas weit genug von den Sternen entfernt, um kühl zu bleiben – Bedingungen, die zu einer „Staubkinderstube“ führen. Staubkörner kondensieren aus dem Gas entlang einer schalenförmigen „Schale“, wo die Winde aufeinanderprallen. Während die Sterne umkreisen und ihre sich ausdehnenden Winde nach außen fegen, wirbelt der Staub spiralförmig heraus wie der Strahl eines Rasensprengers.

Das Ergebnis all dieser Physik manifestiert sich als majestätische Spiralfahne. Für das Auge eines Astrophysikers liegt die Schönheit jedoch tiefer. Diese Strukturen öffnen ein seltenes Fenster zu Phänomenen, die wir sonst niemals beobachten könnten. Es ist, als ob die Natur ihre Geheimnisse in einer Schrift niederschreibt, die zu klein ist, um sie sehen zu können, aber dann bläht der sich ausdehnende Wind den Text zu einem riesigen Banner auf. Hier wurden die Eigenschaften der Winde, der Sterne, die sie in Gang setzten, und die Parameter ihres Umlauftanzes für uns zum Nachlesen dargelegt. WR 104 wurde zum Prototyp einer neuen Klasse von Nebeln, die wir „Windräder“ tauften. Bald fanden wir weitere Systeme mit Namen wie WR 112 und WR 98a, die eine gemeinsame Architektur hatten, aber dennoch einzigartig und besonders schön waren.

Seitdem haben uns die Windräder immer wieder fasziniert, betört und verwirrt.

Ein anhaltendes Rätsel begann im Jahr 1963, als der Vertrag über ein teilweises Verbot von Atomtests zwischen den USA und der UdSSR in Kraft trat und Amerika dazu veranlasste, die Vela-Satelliten zu starten, um die Einhaltung der Vorschriften durch die Messung von Gammastrahlen zu überwachen, die bei Atomtests entstehen. Die Sensoren an Bord dieser Satelliten begannen, Ereignisse zu melden, die von oben und nicht nur von unten kamen. Diese sogenannten Gammastrahlenausbrüche sind inzwischen zu einem der heißesten Themen der Astronomie geworden. Es wird angenommen, dass eine Unterart länger andauernder Ausbrüche, die länger als zwei Sekunden dauern, aus den Supernovae entsteht, die den Tod von Wolf-Rayet-Sternen markieren.

Gammastrahlenausbrüche sind nicht nur faszinierend, sondern können im Laufe der kosmischen Zeit sogar ein Sicherheitsrisiko darstellen. Typische Supernovae können tatsächlich nur ihre unmittelbare Sternumgebung beeinträchtigen. Dies gilt möglicherweise nicht für Supernovae mit Gammastrahlenausbrüchen. Hier ist die Energieabgabe auf einen schmalen und starken Strahl beschränkt, sodass sie bei richtiger Ausrichtung in großen kosmischen Entfernungen sichtbar sind. Eine solche Ausrichtung auf ein nahegelegenes Ereignis könnte ein Zeichen für Gefahr sein.

Spekulative Studien deuten darauf hin, dass Ereignisse im Fossilienbestand der Erde, wie das Massenaussterben im späten Ordovizium, durch einen Gammastrahlenausbruch verursacht worden sein könnten. Das Risiko einer solchen Katastrophe besteht nur dann, wenn sich die Erde genau auf der Explosionslinie befindet. Zum ersten Mal ermöglichten uns unsere Daten, die wahrscheinliche Achse eines möglichen zukünftigen Ausbruchs unseres Windrads Wolf-Rayets zu analysieren. Leider könnte WR 104 uns den Weg weisen.

Doch die statistische Bedrohung durch einen künftigen Gammastrahleneinschlag von WR 104 ist wirklich winzig: Mehrere sehr unwahrscheinliche Dinge müssten nacheinander passieren, einschließlich des Ereignisses mit geringer Wahrscheinlichkeit, dass WR 104 einen Gammastrahlenausbruch beherbergen kann (und nicht einen typische Supernova) in erster Linie. Beim Verfassen unserer Forschung haben meine Kollegen und ich die verschwindend geringen, aber nicht bei Null liegenden Chancen abgewogen – und die Tatsache, dass die Menschheit durch Dinge wie den Klimawandel ernsthafteren Bedrohungen ausgesetzt ist – und beschlossen, nur ein paar kurze, sorgfältig formulierte Sätze zu dieser Möglichkeit in unsere aufzunehmen Papier. Natürlich gingen diese Zeilen sofort im Internet viral. Bald war ich im Büro meines Abteilungsleiters und erklärte, wie ich durch die Verschwörungstheorien zum Maya-Kalender zum Weltuntergang 2012 berühmt geworden war.

In jüngerer Zeit haben wir spektakuläre neue Daten über die Windräder von Observatorien wie dem James-Webb-Weltraumteleskop gewonnen, die sich Wolf und Rayet vor 150 Jahren kaum hätten vorstellen können. Zu den allerersten JWST-Bildern gehörte eine aufschlussreiche Vision eines alten Freundes, WR 140 (des zuvor erwähnten achtjährigen Staubzyklus).

Mit dem atemberaubenden Empfindlichkeitssprung dieses neuen Observatoriums können wir eine Staubhülle nach der anderen beobachten – fast 20 von ihnen marschieren in den Weltraum, jede eine exquisit geformte Nachbildung, eingebettet in die ältere, stärker aufgeblasene davor. Mein Student Yinuo Han und ich verglichen diese Beobachtung mit einem früheren Computermodell, das wir erstellt hatten, um nur die einzelne innerste Staubhülle von WR 140 zu beschreiben. Als wir extrapolierten, um zu sehen, wie 150 Jahre wiederholter Muscheln aussehen könnten, ahmte unser Ergebnis fast perfekt das Zwiebelschichtbild von JWST nach und zeigte die unheimliche Kraft der Mathematik, die reale Welt widerzuspiegeln.

Die vielleicht aufregendste der neuen Entdeckungen war der erste bestätigte Wolf-Rayet-Zwillingsbinär, ein System namens Apep, das meine Kollegen und ich nach dem Todfeind des ägyptischen Sonnengottes Ra benannt haben. Bilder des Systems erinnern an die Mythologie und deuten auf einen Stern hin, der in den Windungen einer Schlange umkämpft ist. Apep bietet auch eine Überraschung. Unsere Berechnungen messen die Geschwindigkeit des expandierenden Gaswinds des Wolf-Rayet sowie die Expansionsrate des Staubs. Diese beiden Zahlen sollten übereinstimmen, und das gilt auch für alle anderen Windräder. In Apep strömt der Staub jedoch nur ein Drittel so schnell aus wie das Gas, wird aber von den Zähnen des stärksten heulenden Sturms erfasst, den die Sternphysik kennt. Es ist, als würde man eine Feder in einem Hurrikan finden, die irgendwie in ihrem eigenen sanften Tempo dahinschwebt. Wie führt der Staub rund um Apep diesen Zaubertrick aus? Niemand weiß es genau.

Wieder einmal sind Wolf-Rayets demütigende Astronomen, die glauben zu verstehen, wie die Dinge funktionieren. Und bis wir die Antwort auf diese Frage haben, werden uns diese rätselhaften Sterne sicher noch tiefere Geheimnisse beschert haben. Es ist bekannt, dass sie jedes Mal, wenn sie auftauchen, die Dinge durcheinander bringen.

Dieser Artikel wurde ursprünglich mit dem Titel „Celestial Wonders“ in Scientific American 329, 2, 44-51 (September 2023) veröffentlicht.

doi:10.1038/scientificamerican0923-44

Explosionen am Rande. Anna YQ Ho; Dezember 2020.

Peter Tuthill ist Astronom an der University of Sydney in Australien, wo er Astronomie und Optik erforscht. Bildnachweis: Nick Higgins

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